CN110230028B - 固态薄膜燃料电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固态薄膜燃料电池的制备方法，首先通过控制真空镀膜设备在第一电极的外周面沉积第一电解质层，并使第一电解质层的厚度沿第一方向逐渐减小，第一方向与单管电极的轴向同向；然后控制真空镀膜设备在第一电解质层的外周面沉积第二电解质层，并使第二电解质层的厚度沿第一方向逐渐增大；再控制真空镀膜设备在第二电解质层的外周面沉积环形的第二电极。通过该制备方法得到的固态薄膜燃料电池，其电解质层包括两种不同的电解质，其中一电解质层与一电极贴合并匹配，另一电解质层与另一电极贴合并匹配，从而能够结合两种电解质的优势，使得电池能够发挥最佳的电池性能。

Description

固态薄膜燃料电池的制备方法
技术领域
本发明涉及电池制备技术领域，特别涉及一种固态薄膜燃料电池的制备方法。
背景技术
燃料电池是利用氢气和氧气生成水的化学反应，来产生电流的发电装置，是下一代新能源解决方案中的一种高能量转化效率的电池。在燃料电池的阳极通入燃料(纯氢气或者碳氢化合物的气体)，在阴极通入氧气(或者空气)。这样在阳极的燃料被氧化，阴极的氧气被还原，电子通过外电路形成电流，以此源源不断的产生电的过程。因为整个化学反应过程就是电子或离子的交换的纯化学反应过程，没有燃烧，因此燃料电池电化学反应过程不必遵循卡诺循环，致使整个燃料电池的能量转换效率非常高，可达40～60％，远远超过传统热机10～25％的能量转换效率。而且因为整个化学反应是氢气和氧气产生水的过程，水是生成物，因此是一个无污染的绿色发电装置，是公认的新一代新能源装置。
燃料电池一般分很多种，常见的有质子交换膜燃料电池和固态燃料电池。质子交换膜燃料电池因为中间的电解质是一种高分子化合物的薄膜，不仅造价高，不能抗高温，而且这种化合物薄膜缺乏耐久性，因此会大大影响燃料电池的寿命(一般质子交换膜3000-5000小时的寿命)。而固态燃料电池采用了陶瓷材料的氧化物薄膜，因此不仅造价便宜，耐高温，而且大大延长了燃料电池的寿命(固态燃料电池寿命一般10000小时以上)。
顾名思义，固态燃料电池的所有电池结构由固态的氧化物构成。如图1所示，由现有的制备方法得到的固态燃料电池的电解质层仅由一种固态氧化物构成。但不同的电解质材料都有各自的优缺点，并且与不同电极的匹配性也不同。例如，钇参杂的氧化锆YSZ与阳极较为匹配，而CeO2则更适合和阴极匹配。采用单一的固态氧化物构造电解质层，并不能使固态燃料电池发挥最佳的电池性能。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种固态薄膜燃料电池的制备方法，旨在解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种固态薄膜燃料电池的制备方法，采用真空镀膜设备进行镀膜，该制备方法包括以下步骤：
S1.控制真空镀膜设备在第一电极的外周面沉积第一电解质层，所述第一电极为单管电极，并使所述第一电解质层的厚度沿第一方向逐渐减小，所述第一方向与所述单管电极的轴向同向；
S2.控制真空镀膜设备在第一电解质层的外周面沉积第二电解质层，并使所述第二电解质层的厚度沿第一方向逐渐增大；
S3.控制真空镀膜设备在第二电解质层的外周面沉积环形的第二电极，所述第二电极的厚度均一；其中，
所述第一电极和所述第二电极其中一者为阳极，另一者为阴极。
在一实施例中，所述真空镀膜设备包括靶材激发装置，所述靶材激发装置用以激发环形靶材，所述环形靶材包括第一电解质环形靶材、第二电解质环形靶材和第二电极环形靶材，所述步骤S1包括以下步骤：
S11.将单管电极置于所述环形靶材的中心轴所在位置，其中，所述单管电极在第一方向上的长度小于所述环形靶材在第一方向上的长度；
S12.开启所述靶材激发装置激发第一电解质环形靶材；
S13.控制单管电极由初始位置沿第一方向移动L1，以使所述单管电极完全移出所述环形靶材之外；
S14.在所述单管电极完全移出所述环形靶材之外后，关闭所述靶材激发装置。
进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
S21.将第一电解质环形靶材更换为第二电解质环形靶材；
S22.控制所述单管电极向第二方向移动L2，以使所述单管电极完全移入所述环形靶材之内；
S23.在所述单管电极完全移入所述环形靶材之内后，开启所述靶材激发装置激发第二电解质环形靶材；
S24.控制所述单管电极沿第二方向移动L3，第二方向与第一方向相反，以使所述单管电极完全移出所述环形靶材之外；
S25.在所述单管电极完全移出所述环形靶材之外后，关闭所述靶材激发装置。
进一步地，所述单管电极由初始位置沿第一方向移动L1的过程中，保持匀速移动，移动速率为V1；所述单管电极沿第二方向移动L3的过程中，保持匀速移动，移动速率为V2，V2＝V1。
在一实施例中，所述单管电极由初始位置沿第一方向移动L1的过程中，保持间断性移动，移动n1次，停止n1次，在n1次移动中，所述单管电极的位移量均为d1，在n1次停止中，停止时间均为t1；所述单管电极沿第二方向移动L3的过程中，保持间断性移动，移动n2次，停止n2次，在n2次移动中，所述单管电极的位移量均为d2，在n2次停止中，停止时间均为t2，其中，n2＝n1，d2＝d1，t2＝t1。
在一实施例中，所述步骤S3包括以下步骤：
S31.将所述第二电解质环形靶材更换为第二电极环形靶材；
S32.控制所述单管电极沿第一方向移动L4，以使所述单管电极完全移入所述环形靶材之内；
S33.在所述单管电极完全移入所述环形靶材之内后，开启所述靶材激发装置激发第二电极环形靶材；
S34.在所述靶材激发装置激发第二电极环形靶材到达预设时间后，关闭所述靶材激发装置。
在一实施例中，所述电解质层的总厚度范围为0.5～10μm，所述第一电极的壁厚的范围为0.5-5mm，所述第二电极的薄膜厚度的范围为5～50μm。
在一实施例中，所述第一电极为阴极，所述第一电解质层的材料采用氧化铈CeO2；所述第二电极为阳极，所述第二电解质层的材料采用钇参杂的氧化锆YSZ。
在一实施例中，所述步骤S1之前还包括以下步骤：
S0.使用隔绝层将所述单管电极的至少一端包覆。
在一实施例中，所述靶材激发装置包括靶材轰击装置和靶材蒸发装置中的任意一种，其中，所述靶材轰击装置包括脉冲激光源和溅射气体源中的任意一种，所述靶材蒸发装置包括蒸镀装置和电子束蒸发枪中的任意一种。
本发明提出的固态薄膜燃料电池的制备方法，首先通过控制真空镀膜设备在第一电极的外周面沉积第一电解质层，并使第一电解质层的厚度沿第一方向逐渐减小，第一方向与单管电极的轴向同向；然后控制真空镀膜设备在第一电解质层的外周面沉积第二电解质层，并使第二电解质层的厚度沿第一方向逐渐增大；再控制真空镀膜设备在第二电解质层的外周面沉积环形的第二电极。通过该制备方法得到的固态薄膜燃料电池，其电解质层包括两种不同的电解质层，其中一电解质层与一电极贴合并匹配，另一电解质层与另一电极贴合并匹配，从而通过结合两种电解质的优势，使得电池能够发挥最佳的电池性能。另外，两种电解质层之间的界面为倾斜面，能够增大两者之间的接触面，使得两者之间的连接更紧密，以提高电解质薄膜沉积的质量，同时不会增加电解质层的整体厚度，以使离子需要穿梭的路径较短，有利于电池性能的发挥，但相当于增加了每个电解质层的最大厚度，更利于两种电解质发挥各自的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为现有技术中一种薄膜燃料电池的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的第一电解质层的制备过程示意图；
图3为本发明一实施例提供的第二电解质层的的制备过程示意图；
图4为本发明一实施例提供的第二电极的制备过程示意图；
图5为本发明固态薄膜燃料电池一实施例的结构示意图；
图6为本发明固态薄膜燃料电池另一实施例的结构示意图；
图7为本发明另一实施例提供的环形靶材和单管电极的放置方式。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 固态薄膜燃料电池 10 第一电极
21 第一电解质层 22 第二电解质层
30 第二电极
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明实施例提出一种固态薄膜燃料电池的制备方法，采用真空镀膜设备进行镀膜，请参阅图2至图4所示，该制备方法包括以下步骤：
S1.控制真空镀膜设备在第一电极10的外周面沉积第一电解质层21，所述第一电极10为单管电极，并使所述第一电解质层21的厚度沿第一方向逐渐减小，所述第一方向与所述单管电极的轴向同向；
S2.控制真空镀膜设备在第一电解质层21的外周面沉积第二电解质层22，并使所述第二电解质层22的厚度沿第一方向逐渐增大；
S3.控制真空镀膜设备在第二电解质层22的外周面沉积环形的第二电极30，所述第二电极30的厚度均一。
应说明的是，所述第一电极10和所述第二电极30其中一者为阳极，另一者为阴极。所述真空镀膜设备可以为溅射薄膜沉积设备、激光脉冲薄膜沉积设备、蒸镀薄膜沉积设备或分子束外延薄膜沉积设备等。具体的，所述真空镀膜设备包括靶材激发装置，所述靶材激发装置用以激发环形靶材，所述环形靶材包括第一电解质环形靶材、第二电解质环形靶材和第二电极环形靶材。所述靶材激发装置包括靶材轰击装置和靶材蒸发装置中的任意一种。其中，所述靶材轰击装置包括脉冲激光源和溅射气体源中的任意一种，所述靶材蒸发装置包括蒸镀装置和电子束蒸发枪中的任意一种。可以理解，可以利用多种真空镀膜设备、采用多种方式来激发环形靶材，通常采用轰击和加热蒸发两种方式，使靶材的表面组分以原子团，分子或离子形式被蒸发或被溅射出来，并且沉降在目标物的表面。
请一并参阅图5所示，由上述制备方法得到的固态薄膜燃料电池1包括第一电极10、电解质层和第二电极30。其中，第一电极10为单管电极，第二电极30为环形电极，所述第一电极10和所述第二电极30其中一者为阳极，另一者为阴极。而电解质层包括第一电解质层21和第二电解质层22，其中，第一电解质层21环绕沉积于单管电极的外周面，且第一电解质层21的厚度沿第一方向逐渐减小，第一方向与所述单管电极的轴向同向；第二电解质层22环绕沉积于第一电解质层21的外周面，且第二电解质层22的厚度沿第一方向逐渐增大。电解质层的总厚度均一，环形电极环绕沉积于第二电解质层22的外周面，环形电极的壁厚也均一。
可以理解，如图1所示，由现有的制备方法得到的固态燃料电池的电解质层仅由一种电解质构成。但不同的电解质材料都有各自的优缺点，并且与不同电极的匹配性也不同。例如，钇参杂的氧化锆YSZ与阳极较为匹配，而CeO2则更适合和阴极匹配。采用单一的固态氧化物构造电解质层，并不能使固态燃料电池发挥最佳的电池性能。
而由本发明制备方法得到的固态薄膜燃料电池，其电解质层包括两种不同的电解质层，其中一电解质层与一电极贴合并匹配，另一电解质层与另一电极贴合并匹配，从而通过结合两种电解质的优势，使得电池能够发挥最佳的电池性能。另外，两种电解质层之间的界面为倾斜面，能够增大两者之间的接触面，使得两者之间的连接更紧密，同时不会增加电解质层的整体厚度，以使离子需要穿梭的路径较短，有利于电池性能的发挥，但相当于增加了每个电解质层的最大厚度，更利于两种电解质发挥各自的优势。
进一步地，如图2所示，其中步骤S1包括以下步骤：
S11.将单管电极置于所述环形靶材的中心轴所在位置，其中，所述单管电极在第一方向上的长度小于所述环形靶材在第一方向上的长度；
S12.开启所述靶材激发装置激发第一电解质环形靶材；
S13.控制单管电极由初始位置沿第一方向移动L1，以使所述单管电极完全移出所述环形靶材之外；
S14.在所述单管电极完全移出所述环形靶材之外后，关闭所述靶材激发装置。
可以理解，在第一电解质层21的沉积过程中，通过将环形靶材固定不动，而控制单管电极移动，使单管电极与环形靶材之间发生相对位移，单管电极中越先移出环形靶材之外的部分所沉积的第一电解质层21就越薄，而越后移出的环形靶材之外的所沉积的第一电解质层21就越厚，因此，单管电极上所沉积的第一电解质层21就会整体呈现沿第一方向逐渐减薄的趋势。而环形靶材上的材料会沿单管电极的径向沉积至单管电极上，因此，单管电极上覆盖的第一电解质层21与单管电极共同形成圆台状。
进一步地，如图3所示，所述步骤S2包括以下步骤：
S21.将第一电解质环形靶材更换为第二电解质环形靶材；
S22.控制所述单管电极向第二方向移动L2，以使所述单管电极完全移入所述环形靶材之内；
S23.在所述单管电极完全移入所述环形靶材之内后，开启所述靶材激发装置激发第二电解质环形靶材；
S24.控制所述单管电极沿第二方向移动L3，第二方向与第一方向相反，以使所述单管电极完全移出所述环形靶材之外；
S25.在所述单管电极完全移出所述环形靶材之外后，关闭所述靶材激发装置。
可以理解，在第二电解质层22的沉积过程中，仍然保持环形靶材固定不动，而控制单管电极朝向与第一方向相反的第二方向移动，同样地，单管电极中越先移出环形靶材之外的部分所沉积的第二电解质层22就越薄，而越后移出的环形靶材之外的所沉积的第二电解质层22就越厚。最终形成的第二电解质层22与第一电解质层21互相倒置，第一电解质层21和第二电解质层22的剖面均为楔型结构，两个楔型结构的电解质层共同构成总厚度均一的电解质层。
在一实施例中，所述单管电极由初始位置沿第一方向移动L1的过程中，保持匀速移动，移动速率为V1；所述单管电极沿第二方向移动L3的过程中，保持匀速移动，移动速率为V2，V2＝V1。如此，得到的固态薄膜燃料电池1的第一电解质层21和第二电解质层22形状相同，互相倒置，且两者之间的界面为均匀平整的斜面。如图5所示，由局部剖面图来看，该斜面具体位于电解质层整体的对角线所在面。可以理解，由于电解质层由两种电解质构成，必须保证两种电解质层之间连接的紧密性，否则会影响离子在两者之间的穿梭。相较于两种电解质之间的界面为与单管电极的中心轴平行的平面，两种电解质之间的界面为斜面能够在沿轴心方向长度不变的的情况下，有效增大两者之间的接触面积，使得两者之间的连接更紧密，同时不会增加电解质层的总厚度，以使离子需要穿梭的路径保持较短的距离，有利于电池性能的发挥，但相当于增加了每个电解质层的最大厚度，更利于两种电解质发挥各自的优势。
在另一实施例中，所述单管电极由初始位置沿第一方向移动L1的过程中，保持间断性移动，移动n1次，停止n1次，在n1次移动中，所述单管电极的位移量均为d1，在n1次停止中，停止时间均为t1；所述单管电极沿第二方向移动L3的过程中，保持间断性移动，移动n2次，停止n2次，在n2次移动中，所述单管电极的位移量均为d2，在n2次停止中，停止时间均为t2，其中，n2＝n1，d2＝d1，t2＝t1。如此，如图6所示，得到的固态薄膜燃料电池1的第一电解质层21和第二电解质层22形状相同，互相倒置，且两者之间的界面为台阶面。可以理解，相较于两种电解质层之间的界面为斜面，两种电解质层之间的界面为台阶面，能够进一步增大两者之间的接触面积，从而使得两者之间的连接更加紧密，以利于离子在两者之间的穿梭，减少离子传导内阻，增大传导率，从而提高电池性能。
进一步地，如图4所示，所述步骤S3包括以下步骤：
S31.将所述第二电解质环形靶材更换为第二电极环形靶材；
S32.控制所述单管电极沿第一方向移动L4，以使所述单管电极完全移入所述环形靶材之内；
S33.在所述单管电极完全移入所述环形靶材之内后，开启所述靶材激发装置激发第二电极环形靶材；
S34.在所述靶材激发装置激发第二电极环形靶材到达预设时间后，关闭所述靶材激发装置。
可以理解，如图7所示，在沉积完第二电解质层22之后，重新将单管电极完全移入环形靶材之内，且保持单管电极与环形靶材之间发生的相对位移不变，以在电解质层的外周面沉积厚度均一的第二电极30。
进一步地，所述步骤S1之前还包括以下步骤：
S0.使用隔绝层将所述单管电极的至少一端包覆。
可以理解，由于使用隔绝层将单管电极的至少一端包覆，使得电解质及第二电极并没有直接沉积到单管电极的表面，待所有电池材料沉积完毕后，将隔绝层去除，即可使单管电极的至少一端部显露。固态薄膜燃料电池1制备好后，通常需要对其进行电化学性能测试，比如电阻和电导率测试，如此，需要将固态薄膜燃料电池1的阴极和阳极与对应的测试电极进行电连接。将单管电极的任意一端部或两端部均显露，能够方便单管电极与测试电极进行电连接。
在上述实施例中，如图2至图4所示，在制备固态薄膜燃料电池1的过程中，环形靶材和单管电极垂直于地面放置。在另一实施例中，如图7所示，将环形靶材和单管电极也可平行于地面放置。可以理解，本发明不对环形靶材、单管电极的放置方位进行限制，只要单管电极放置于环形靶材的轴心位置即可。
在一实施例中，所述电解质层的总厚度范围为0.5～10μm。其中，在满足电解质层作用的前提下，电解质层的厚度越薄越好，电解质层越薄，离子需要穿梭的路径就越短，越有利于电池性能的发挥。
在一实施例中，所述第一电极10的壁厚的范围为0.5～5mm，所述第二电极30的壁厚的范围为的薄膜厚度的范围为5～50μm。
在一实施例中，所述第一电极10为阴极，所述第一电解质层21由固态的氧化铈(CeO2)构成；所述第二电极30为阳极，所述第二电解质层22由钇参杂的氧化锆(YSZ)构成。由于电解质YSZ与阳极更加匹配，而电解质CeO2更适合与阴极匹配。如此，单管电极作为阴极时，先沉积电解质CeO2，以与阴极匹配，接下来再沉积电解质YSZ，和之后沉积的阳极更匹配。需要说明的是，在其它实施例中，第一电解质层21和第二电解质层22还可采用其它固态氧化物来构造，只要第一电解质层21与第一电极10匹配，第二电解质层22与第二电极30匹配即可，本设计不限于此。
进一步地，所述阴极由固态的镧锶锰的氧化物(LaSrMnOx)构成，所述阳极由固态的氧化镍(NiOx)构成。即第一电极10(单管电极)由LaSrMnOx构成，第二电极30(环形电极)由NiOx构成。需要说明的是，在其它实施例中，所述阴极和所述阳极可采用其它固态氧化物来构造，本设计不限于此。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种固态薄膜燃料电池的制备方法，采用真空镀膜设备进行镀膜，其特征在于，包括以下步骤：
S1.控制真空镀膜设备在第一电极的外周面沉积第一电解质层，所述第一电极为单管电极，并使所述第一电解质层的厚度沿第一方向逐渐减小，所述第一方向与所述单管电极的轴向同向；
S2.控制真空镀膜设备在第一电解质层的外周面沉积第二电解质层，并使所述第二电解质层的厚度沿第一方向逐渐增大；
S3.控制真空镀膜设备在第二电解质层的外周面沉积环形的第二电极，所述第二电极的厚度均一；其中，
所述第一电极和所述第二电极其中一者为阳极，另一者为阴极；
所述真空镀膜设备包括靶材激发装置，所述靶材激发装置用以激发环形靶材，所述环形靶材包括第一电解质环形靶材、第二电解质环形靶材和第二电极环形靶材，所述步骤S1包括以下步骤：
S11.将单管电极置于所述环形靶材的中心轴所在位置，其中，所述单管电极在第一方向上的长度小于所述环形靶材在第一方向上的长度；
S12.开启所述靶材激发装置激发第一电解质环形靶材；
S13.控制单管电极由初始位置沿第一方向移动L1，以使所述单管电极完全移出所述环形靶材之外；
S14.在所述单管电极完全移出所述环形靶材之外后，关闭所述靶材激发装置；
所述步骤S2包括以下步骤：
S21.将第一电解质环形靶材更换为第二电解质环形靶材；
S22.控制所述单管电极向第二方向移动L2，以使所述单管电极完全移入所述环形靶材之内；
S23.在所述单管电极完全移入所述环形靶材之内后，开启所述靶材激发装置激发第二电解质环形靶材；
S24.控制所述单管电极沿第二方向移动L3，第二方向与第一方向相反，以使所述单管电极完全移出所述环形靶材之外；
S25.在所述单管电极完全移出所述环形靶材之外后，关闭所述靶材激发装置。
2.如权利要求1所述的固态薄膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述单管电极由初始位置沿第一方向移动L1的过程中，保持匀速移动，移动速率为V1；所述单管电极沿第二方向移动L3的过程中，保持匀速移动，移动速率为V2，V2＝V1。
3.如权利要求1所述的固态薄膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述单管电极由初始位置沿第一方向移动L1的过程中，保持间断性移动，移动n1次，停止n1次，在n1次移动中，所述单管电极的位移量均为d1，在n1次停止中，停止时间均为t1；所述单管电极沿第二方向移动L3的过程中，保持间断性移动，移动n2次，停止n2次，在n2次移动中，所述单管电极的位移量均为d2，在n2次停止中，停止时间均为t2，其中，n2＝n1，d2＝d1，t2＝t1。
4.如权利要求2或3所述的固态薄膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S31.将所述第二电解质环形靶材更换为第二电极环形靶材；
S32.控制所述单管电极沿第一方向移动L4，以使所述单管电极完全移入所述环形靶材之内；
S33.在所述单管电极完全移入所述环形靶材之内后，开启所述靶材激发装置激发第二电极环形靶材；
S34.在所述靶材激发装置激发第二电极环形靶材到达预设时间后，关闭所述靶材激发装置。
5.如权利要求1所述的固态薄膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述电解质层的总厚度范围为0.5～10μm，所述第一电极的壁厚的范围为0.5～5mm，所述第二电极的薄膜厚度的范围为5～50μm。
6.如权利要求1所述的固态薄膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述第一电极为阴极，所述第一电解质层的材料采用氧化铈CeO2；所述第二电极为阳极，所述第二电解质层的材料采用钇参杂的氧化锆YSZ。
7.如权利要求1所述的固态薄膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括以下步骤：
S0 .使用隔绝层将所述单管电极的至少一端包覆。
8.如权利要求1所述的固态薄膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述靶材激发装置包括靶材轰击装置和靶材蒸发装置中的任意一种，其中，所述靶材轰击装置包括脉冲激光源和溅射气体源中的任意一种，所述靶材蒸发装置包括蒸镀装置和电子束蒸发枪中的任意一种。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1186886A (ja) * 1997-09-12 1999-03-30 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体電解質型燃料電池
CN101107740A (zh) * 2003-12-02 2008-01-16 纳米动力公司 使用金属陶瓷电解质的阳极支撑的固体氧化物燃料电池
CN109818020A (zh) * 2019-03-28 2019-05-28 深圳市致远动力科技有限公司 固态薄膜燃料电池的制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10458027B2 (en) * 2015-10-08 2019-10-29 Low Emission Resources Corporation Electrode-supported tubular solid-oxide electrochemical cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1186886A (ja) * 1997-09-12 1999-03-30 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体電解質型燃料電池
CN101107740A (zh) * 2003-12-02 2008-01-16 纳米动力公司 使用金属陶瓷电解质的阳极支撑的固体氧化物燃料电池
CN109818020A (zh) * 2019-03-28 2019-05-28 深圳市致远动力科技有限公司 固态薄膜燃料电池的制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Fabrication of Y2O3-Doped Zirconia/Gadolinia-Doped Ceria Bilayer Electrolyte Thin Film SOFC Cells of SOFCs by Single-Pulsed Laser Deposition Processing;T.Mukai et al.;《Journal of Fuel Cell Science and Technology》;20130913;第10卷(第6期);第2页左栏及第3页Fig.6 *
Impact of Anode Microstructure on Solid Oxide Fuel Cells;Suzuki et al.;《Science》;20090814;第325卷(第5942期);第853页Fig.1A及左栏第4-5段及Supporting Online Material *
Micro-tubular Solid oxide fuel cells and stacks;Katie et al.;《Journal of Power Source》;20101001;第196卷;全文 *

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